(57)【要約】  温度が変化しても共振周波数を略一定に維持することによって安定して通信を行うことが可能なアンテナ装置を提供する。本発明は、リーダライタ（２）から発信される磁界を受けるアンテナコイル（１１ａ）と、コンデンサ（１１ｂ）とを有するアンテナ回路（１１）と、アンテナコイル（１１ａ）と重畳する位置に形成され、アンテナコイル（１１ａ）のインダクタンスを変化させる磁性シート（１２）とを備え、コンデンサ（１１ｂ）は、温度変化により容量が変化する温度特性を有し、磁性シート（１２）は、使用温度領域の温度変化に伴うコンデンサ（１１ｂ）の容量の変化と逆特性でアンテナコイル（１１ａ）のインダクタンスを変化させて、使用温度領域でアンテナ回路（１１）の共振周波数をリーダライタ（２）の発振周波数と略一致させる温度特性の磁性材料からなる。
2011013662.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発信器から所定の発振周波数で発信される磁界を受けるアンテナコイルと、該アンテナコイルと電気的に接続されたコンデンサとを有し、該発信器と誘導結合されて通信可能となる共振回路と、
上記アンテナコイルと重畳する位置に形成され、該アンテナコイルのインダクタンスを変化させる磁性シートとを備え、
上記コンデンサは、温度変化により容量が変化する温度特性を有し、
上記磁性シートは、上記使用温度領域の温度変化に伴う上記コンデンサの容量の変化と逆特性で上記アンテナコイルのインダクタンスを変化させて、該使用温度領域で上記共振回路の共振周波数を上記発振周波数と略一致させる温度特性の磁性材料からなることを特徴とするアンテナ装置。
【請求項２】
上記コンデンサは、上記使用温度領域における温度変化に伴って容量が単調変化する温度特性を有し、
上記磁性シートは、上記アンテナコイルのインダクタンスを、下記式の条件を満たすように変化させる温度特性の磁性材料からなることを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
Ｌ１／Ｌ２≒Ｃ２／Ｃ１
但し、Ｌ１、Ｌ２は、それぞれ、上気使用温度領域の上限値及び下限値における上記アンテナコイルのインダクタンスであり、Ｃ１、Ｃ２は、それぞれ、上気使用温度領域の上限値及び下限値における上記コンデンサの容量である。
【請求項３】
上記コンデンサは、温度上昇に伴って容量が単調減少する強誘電材料からなり、
上記磁性シートは、上記アンテナコイルのインダクタンスを、上記使用温度領域での温度上昇に伴って単調増加させて、該使用温度領域で上記共振回路の共振周波数を上記発振周波数と略一致させる温度特性の磁性材料からなることを特徴とする請求項２記載のアンテナ装置。
【請求項４】
上記磁性シートは、複数種類の磁性材料からなるフェライトであり、各磁性材料の含有率を調整することで、上記使用温度領域で上記共振回路の共振周波数を上記発振周波数と略一致させる温度特性を有することを特徴とする請求項１乃至３のうち何れか１項記載のアンテナ装置。
【請求項５】
発信器から所定の発振周波数で発信される磁界を受けるアンテナコイルと、該アンテナコイルと電気的に接続されたコンデンサとを有し、該発信器と誘導結合されて通信可能となる共振回路と、
上記アンテナコイルと重畳する位置に形成され、該アンテナコイルのインダクタンスを変化させる磁性シートと、
上記共振回路に流れる電流により駆動し、上記発信器との間で通信を行う通信処理部とを備え、
上記コンデンサは、温度変化により容量が変化する温度特性を有し、
上記磁性シートは、上記使用温度領域の温度変化に伴う上記コンデンサの容量の変化と逆特性で上記アンテナコイルのインダクタンスを変化させて、該使用温度領域で上記共振回路の共振周波数を上記発振周波数と略一致させる温度特性の磁性材料からなることを特徴とする通信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁界を発信する発信器との間で発生する電磁誘導により通信可能状態となるアンテナ装置、及び、このアンテナ装置が組み込まれた通信装置に関する。
本出願は、日本国において２００９年７月２８日に出願された日本特許出願番号特願２００９−１７５７５１を基礎として優先権を主張するものであり、これらの出願を参照することにより、本出願に援用される。
【背景技術】
【０００２】
近年、電磁誘導により信号を授受する非接触通信技術が確立し、交通系乗車券や電子マネーとして利用が拡大している。また、このような非接触通信機能は携帯電話機にも搭載される傾向にあり、今後益々発展するものと期待されている。電磁誘導による近接通信のみでなく物流においては数ｍの距離を隔てて読み書きが可能なＩＣタグも商品化されている。また、このような非接触通信技術は非接触で通信を可能にするだけでなく、さらに電力伝送も同時に出来るため、自らは電池などの電源を持たないＩＣカードにも実装が可能である。
このような非接触通信が適用された通信システムでは、リーダライタと非接触データキャリアとの間で非接触の通信と電力伝送を行うためループアンテナに共振用コンデンサを接続し、ループアンテナと共振用コンデンサの定数ＬＣで決まる共振周波数をシステムの規定周波数に合わせることでリーダライタと非接触データキャリアの安定な通信を行い通信距離を最大にしている。
しかしながらループアンテナと共振用コンデンサのＬＣの定数はいくつかの変動要因を持っており必ずしも想定した値にはならない。例えば非接触データキャリアでは低コストのためにループアンテナは銅箔パターンで作られておりパターン幅のズレなどによりＬの値は変化する。また同じく低コスト化のために共振用コンデンサもアンテナ基板の銅箔を電極として基板の樹脂を誘電体として構成されており、銅箔の幅、長さ、間隔によって容量値が変化する。さらに最終的にＩＣカードとして使用するためにアンテナ基板の上下を保護フィルムによりラミネートするが、この保護フィルムの影響によりコンデンサの容量が変化するためラミネート後の周波数シフトを見越して見込み調整として銅箔パターンのカットにより電極面積を調整し共振用コンデンサの容量値を調整している。
上述したような各種要因により共振周波数がずれて通信が不安定になったり、通信距離が短くなってしまう。このような問題に対して、特許文献１には、リーダライタから出力された磁束を受けるアンテナコイルと、その磁束の変化を効率よく電圧に変換する共振回路を有するアンテナモジュールにおいて、通信の安定性を得るために、可変容量コンデンサの容量を調整することによって、共振周波数を調整する方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１１１４８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したように、特許文献１に記載されたアンテナでは、可変容量コンデンサの容量を調整することによって、共振周波数を調整することができる。しかしながら、可変容量コンデンサは、温度変化に応じて容量が変化する温度特性がある。このため、可変容量コンデンサが組み込まれた共振回路では、共振周波数を正確に調整したとしても、温度変化により共振周波数が変化してしまうという問題がある。
本発明は、このような実情に鑑みて提案されたものであり、温度が変化しても共振周波数を略一定に維持することによって安定して通信を行うことが可能なアンテナ装置、及び、このアンテナ装置が組み込まれた通信装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上述した課題を解決するための手段として、本発明に係るアンテナ装置は、発信器から所定の発振周波数で発信される磁界を受けるアンテナコイルと、アンテナコイルと電気的に接続されたコンデンサとを有し、発信器と誘導結合されて通信可能となる共振回路と、アンテナコイルと重畳する位置に形成され、アンテナコイルのインダクタンスを変化させる磁性シートとを備え、コンデンサは、温度変化により容量が変化する温度特性を有し、磁性シートは、使用温度領域の温度変化に伴うコンデンサの容量の変化と逆特性でアンテナコイルのインダクタンスを変化させて、使用温度領域で共振回路の共振周波数を発振周波数と略一致させる温度特性の磁性材料からなることを特徴とする。
また、本発明に係る通信装置は、発信器から所定の発振周波数で発信される磁界を受けるアンテナコイルと、アンテナコイルと電気的に接続されたコンデンサとを有し、発信器と誘導結合されて通信可能となる共振回路と、アンテナコイルと重畳する位置に形成され、アンテナコイルのインダクタンスを変化させる磁性シートと、共振回路に流れる電流により駆動し、発信器との間で通信を行う通信処理部とを備え、コンデンサは、温度変化により容量が変化する温度特性を有し、磁性シートは、使用温度領域の温度変化に伴うコンデンサの容量の変化と逆特性でアンテナコイルのインダクタンスを変化させて、使用温度領域で共振回路の共振周波数を発振周波数と略一致させる温度特性の磁性材料からなることを特徴とする。
本発明は、使用温度領域の温度変化に伴うコンデンサの容量の変化と逆特性でアンテナコイルのインダクタンスを変化させて、使用温度領域で共振回路の共振周波数を発振周波数と略一致させる温度特性を有する磁性シートを、アンテナコイルに重畳するように形成する。このようして、本発明は、温度変化に応じたコンデンサの容量の変化による共振周波数の変化を、磁性シートの温度特性に応じたアンテナコイルのインダクタンスの変化により相殺させることで、予め設定された使用温度領域において温度が変化しても共振周波数を略一定に維持し、安定して通信を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】図１は、無線通信システムの全体構成を示す図である。
【図２】図２は、無線通信システムに係る回路構成を示す図である。
【図３】図３は、常温（２０℃）の容量を基準値として、温度変化によるコンデンサの容量の変化を示す図である。
【図４】図４は、温度変化に応じたアンテナコイルのインダクタンスの変化について説明するための図である。
【図５】図５は、温度を変化させたときの、アンテナコイルのインダクタンスＬに対応する磁性シートの複素比透磁率の実部μ’の変化を示す図である。
【図６】図６は、アンテナコイル１１ａと磁性シート１２とからなる積層体の構造を示す図である。
【図７】図７は、携帯電話機などに組み込まれるアンテナモジュールのアンテナコイルの具体的な寸法について説明するための図である。
【図８】図８は、積層セラミックコンデンサの温度特性を示す図である。
【図９】図９は、アンテナ回路に用いられているアンテナコイルのインダクタンスの温度特性を示す図である。
【図１０】図１０は、アンテナ回路の共振周波数の温度特性を示す図である。
【図１１】図１１は、使用温度領域である０℃から６０℃の範囲において、図１０の各ラインＡ、Ｂ、Ｃに対応するアンテナ回路の周波数偏差を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更が可能であることは勿論である。
＜全体構成＞
本発明が適用されたアンテナモジュールは、電磁波を発信する発信器との間で発生する電磁誘導により通信可能状態となるアンテナ装置であって、例えば図１に示すようなＲＦＩＤ（Radio  Frequency  Identification）用の無線通信システム１００に組み込まれて使用される。
無線通信システム１００は、本発明が適用されたアンテナモジュール１と、アンテナモジュール１に対するアクセスを行うリーダライタ２とからなる。
リーダライタ２は、アンテナモジュール１に対して磁界を発信する発信器として機能し、具体的には、アンテナモジュール１に向けて磁界を発信するアンテナ２ａと、アンテナ２ａを介して誘導結合されたアンテナモジュール１と通信を行う制御基板２ｂとを備える。
すなわち、リーダライタ２は、アンテナ２ａと電気的に接続された制御基板２ｂが配設されている。この制御基板２ｂには、一又は複数の集積回路チップ等の電子部品からなる制御回路が実装されている。この制御回路は、アンテナモジュール１から受信されたデータに基づいて、各種の処理を実行する。例えば、制御回路は、アンテナモジュール１にデータを書き込む場合、データを符号化し、符号化したデータに基づいて、所定の周波数（例えば、１３．５６ＭＨｚ）の搬送波を変調し、変調した変調信号を増幅し、増幅した変調信号でアンテナ２ａを駆動する。また、制御回路は、アンテナモジュール１からデータを読み出す場合、アンテナ２ａで受信されたデータの変調信号を増幅し、増幅したデータの変調信号を復調し、復調したデータを復号する。なお、制御回路では、一般的なリーダライタで用いられる符号化方式及び変調方式が用いられ、例えば、マンチェスタ符号化方式やＡＳＫ（Amplitude Shift Keying）変調方式が用いられている。
電子機器の筐体３内部に組み込まれるアンテナモジュール１は、誘導結合されたリーダライタ２との間で通信可能となるアンテナコイル１１ａが実装されたアンテナ回路１１と、磁界をアンテナコイル１１ａに引き込むためアンテナコイル１１ａと重畳する位置に形成された磁性シート１２と、アンテナ回路１１に流れる電流により駆動してリーダライタ２との間で通信を行う通信処理部１３とを備える。
アンテナ回路１１は、本発明に係る共振回路に相当する回路であって、アンテナコイル１１ａと、アンテナコイル１１ａと電気的に接続されたコンデンサ１１ｂとを備える。
アンテナ回路１１は、リーダライタ２から発信される磁界をアンテナコイル１１ａで受けると、リーダライタ２と誘導結合によって磁気的に結合され、変調された電磁波を受信して、受信信号を通信処理部１３に供給する。
磁性シート１２は、リーダライタ２から発信される磁界をアンテナコイル１１ａに引き込むため、アンテナコイル１１ａと重畳する位置に形成され、当該磁性シート１２がない場合に比べて、アンテナコイル１１ａのインダクタンスが増加するように変化させる。具体的に、磁性シート１２は、携帯型電子機器の筐体３内部に設けられた金属部品がリーダライタ２から発信される磁界を跳ね返したり、渦電流が発生するのを抑制するために、磁界が放射されてくる方向の反対側に貼り付けた構造をとる。
通信処理部１３は、電気的に接続されたアンテナ回路１１に流れる電流により駆動し、リーダライタ２との間で通信を行う。具体的に、通信処理部１３は、受信された変調信号を復調し、復調したデータを復号して、復号したデータを、後述するメモリ１３３に書き込む。また、通信処理部１３は、リーダライタ２に送信するデータをメモリ１３３から読み出し、読み出したデータを符号化し、符号化したデータに基づいて搬送波を変調し、誘導結合によって磁気的に結合されたアンテナ回路１１を介して変調された電波をリーダライタ２に送信する。
以上のような構成からなる無線通信システム１００において、アンテナモジュール１のアンテナ回路１１の具体的な回路構成について、図２を参照して説明する。
上述したように、アンテナ回路１１は、アンテナコイル１１ａと、コンデンサ１１ｂとを備える。
アンテナコイル１１ａは、例えば矩形状に形成されており、リーダライタ２のアンテナ２ａより放射された磁束のうち、アンテナコイル１１ａと鎖交する磁束の変化に応じて逆起電力を発生させる。
コンデンサ１１ｂは、通信処理部１３から出力される制御電圧によって容量を調整可能なコンデンサであって、例えば、バリキャップと呼ばれる可変容量ダイオードや、耐圧特性に優れた強誘電材料からなる可変容量のコンデンサである。
アンテナ回路１１は、アンテナコイル１１ａとコンデンサ１１ｂとが電気的に接続され、共振回路を構成しており、コンデンサ１１ｂの容量が可変されることで、アンテナコイル１１ａ及びコンデンサ１１ｂを含む共振回路の共振周波数が調整される。
通信処理部１３は、変復調回路１３１と、ＣＰＵ１３２と、メモリ１３３とを備えたマイクロコンピュータにより構成されている。
変復調回路１３１は、アンテナ回路１１からリーダライタ２へ送出するデータをキャリアに重畳させた変調波を生成する変調処理を行う。また、変復調回路１３１は、リーダライタ２から出力された変調波からデータを抽出する復調処理を行う。
ＣＰＵ１３２は、メモリ１３３に記憶された制御電圧情報を読み出して、制御電圧Ｖをコンデンサ１１ｂに印加してコンデンサ１１ｂの容量を調整することで、製造時の素子の誤差やバラツキに起因した共振周波数のズレを補正する。
メモリ１３３には、アンテナ回路１１の共振周波数と、リーダライタ２が磁界を発振する発振周波数とのズレを考慮して、アンテナ回路１１の共振周波数が、リーダライタ２の発振周波数と一致するようにコンデンサ１１ｂの容量を制御する制御電圧情報が記憶されている。
上記の構成を有するアンテナモジュール１と通信を行うリーダライタ２では、アンテナ２ａが、アンテナコイル２１とコンデンサ２２とを備え、制御基板２ｂが、変復調回路２３とＣＰＵ２４とメモリ２５とを備える。
アンテナコイル２１は、例えば矩形状に形成されており、アンテナモジュール１側のアンテナコイル１１ａと磁気的に結合することで、コマンドや書込みデータなどの各種データを送受信し、さらにアンテナモジュール１で使用する電力を供給する。
コンデンサ２２は、アンテナコイル２１と接続されて共振回路を構成している。変復調回路２３は、リーダライタ２からアンテナモジュール１へ送出するデータをキャリアに重畳させた変調波を生成するための変調処理を行う。また、変復調回路２３は、アンテナモジュール１から送出された変調波からデータを抽出する復調処理を行う。
ＣＰＵ２４は、メモリ２５から読み出したデータをアンテナモジュール１に送出するように変復調回路２３を制御し、また、変復調回路２３で復調されたデータをメモリ２５に書き込む処理を行う。
以上のようにして、アンテナモジュール１のアンテナ回路１１は、通信処理部１３によって制御される制御電圧により、アンテナ回路１１のコンデンサ１１ｂの容量を調節することによって、アンテナ回路１１の共振周波数を、リーダライタ２の発振周波数と一致させて、安定した通信を実現できるようにしている。
＜温度補償＞
アンテナ回路１１は、仮に同じ制御電圧をコンデンサ１１ｂに印加しても、温度変化によってコンデンサ１１ｂの容量が変化してしまうため、温度変化に伴って共振周波数がずれてしまう。
図３は、常温（２０℃）の容量を基準値として、温度変化によるコンデンサの容量の変化を示す図である。
可変容量ダイオードは、図３のラインＸに示すように、温度上昇に伴って容量が単調増加する。このため、可変容量ダイオードを共振用コンデンサとして用いた共振回路では、温度上昇に伴って共振周波数が低くなってしまう。
また、材料１の強誘電体からなる可変容量コンデンサは、図３のラインＡに示すように、２０℃以下では温度上昇に伴って容量が増加し、２０℃以上では温度上昇に伴って容量が減少する。このため、材料１の強誘電体からなる可変容量コンデンサが組み込まれた共振回路では、温度変化に対して、２０℃を極大値として「上に凸」となるように共振周波数が変化してしまう。
また、材料２の強誘電体からなる可変容量コンデンサは、図３のラインＢに示すように、温度上昇に伴って容量が単調減少する。このため、材料２の強誘電体からなる可変容量コンデンサが組み込まれた共振回路では、温度上昇に伴って共振周波数が高くなってしまう。
温度変化に応じたコンデンサの容量の変化による共振周波数の変化を、アンテナコイルのインダクタンスの変化により相殺させるため、アンテナモジュール１は、磁性シートの温度特性に応じてアンテナコイルのインダクタンスが変化する特性を利用したものである。
ここで、材料１の強誘電体からなる可変容量コンデンサの容量の変化による共振周波数の変化は、図４のラインＡに示すような温度特性を有するアンテナコイルＡのインダクタンスの変化により相殺させることができる。
また、材料２の強誘電体からなる可変容量コンデンサの容量の変化による共振周波数の変化は、図４のラインＢに示すような温度特性を有するアンテナコイルＢのインダクタンスの変化により相殺させることができる。
このようにして、共振周波数のズレを相殺することができるのは、アンテナコイルのインダクタンスＬと、コンデンサの容量Ｃとから、共振周波数ｆが下記式のより導出されるからである。
ｆ＝１／（２π√（ＬＣ））
アンテナコイル自体は、導線から構成されているため、図４に示すような温度特性を実現することが難しいが、本願発明者は、アンテナコイルに重畳するように形成する磁性シートの温度特性に起因してアンテナコイルのインダクタンスが変化する特性に注目して、図４に示すような温度特性を実現することを見出した。
具体的に、磁性シートの磁性材料として適用されるフェライトは、キュリー温度以上になると磁気特性が無くなるが、キュリー温度以下では、個々の磁性材料の特性、その含有率を調整することで、温度に対する磁気特性を調節することができる。
図５は、温度を変化させたときの、アンテナコイルのインダクタンスＬに対応する磁性シートの複素比透磁率の実部μ’の変化を示す図である。
例えば、上記のアンテナコイルＡのような温度特性は、図５のラインＡに示すような磁気特性を有するフェライトＡからなる磁性シートをアンテナコイルＡに張り合わせることで実現可能である。
また、上記のアンテナコイルＢのような温度特性は、図５のラインＢに示すような磁気特性を有するフェライトＢからなる磁性シートをアンテナコイルＢに張り合わせることで実現可能である。
このようにして、本実施形態に係るアンテナ回路１１は、温度変化に応じたコンデンサ１１ｂの容量の変化による共振周波数の変化を、磁性シート１２の温度特性に応じたアンテナコイル１１ａのインダクタンスの変化により相殺させる。
磁性シート１２の温度特性を調節するだけでは、いかなる温度帯域においてもコンデンサ１１ｂの容量の変化による共振周波数の変化を、アンテナコイル１１ａのインダクタンスの変化により相殺させることが難しい。したがって、予めアンテナモジュール１がリーダライタ２と通信可能な使用を保障する使用温度領域を設定して、この使用温度領域において温度が変化しても共振周波数を略一定に維持するように、磁性シート１２の温度特性を設計する必要がある。
このようにして、本実施形態に係るアンテナ回路１１は、磁性シート１２の温度特性に応じてアンテナコイル１１ａのインダクタンスが変化することを利用して、予め設定された使用温度領域において温度が変化しても共振周波数を略一定に維持し、安定して通信を行うことができる。
なお、本実施形態に係るアンテナ回路１１は、温度変化に応じたコンデンサの容量の変化による共振周波数の変化を、磁性シートの温度特性に応じたアンテナコイルのインダクタンスの変化により相殺させることができれば、いかなる温度特性のものを用いてもよい。
すなわち、温度上昇に応じてコンデンサの容量が単調増加すれば、この容量の変化による共振周波数の変化を相殺するようにインダクタンスが単調減少するアンテナコイルを用いればよい。また、温度上昇に応じてコンデンサの容量が「上に凸」で変化すれば、この容量の変化による共振周波数の変化を相殺するようにインダクタンスが「下に凸」で変化するアンテナコイルを用いればよい。
このように、本実施形態に係るアンテナ回路１１は、温度変化に応じて、コンデンサの容量とアンテナコイルのインダクタンスが互いに逆特性を有していればよいが、共振周波数を略一定に維持する設計を容易に実現する観点から、特に、次の具体例で示すように温度変化に応じて単調に変化するものを用いることが望ましい。
まず、コンデンサ１１ｂは、使用温度領域における温度変化により容量が単調変化する温度特性を有するものとする。
このような温度特性を有するコンデンサ１１ｂに対して、磁性シート１２は、アンテナコイル１１ａのインダクタンスを、下記式の条件を満たすように変化させる温度特性を有する材料とする。
Ｌ１／Ｌ２≒Ｃ２／Ｃ１
ここで、Ｌ１、Ｌ２は、それぞれ、使用温度領域の上限値及び下限値におけるアンテナコイル１１ａのインダクタンスである。また、Ｃ１、Ｃ２は、それぞれ、使用温度領域の上限値及び下限値におけるコンデンサ１１ｂの容量である。
このようにして、アンテナ回路１１は、コンデンサ１１ｂの容量とアンテナコイル１１ａのインダクタンスが、予め設定された使用温度領域においてそれぞれ逆特性で同様の変化率で単調変化するようにすることで、容易に共振周波数を略一定に維持することができる。
また、コンデンサ１１ｂの容量とアンテナコイル１１ａのインダクタンスが、使用温度領域においてそれぞれ逆特性で単調変化しても、異なる変化率で変化する場合には、コンデンサ１１ｂの容量の変化による共振周波数の変化を、アンテナコイル１１ａのインダクタンスの変化により相殺させることが困難である。
このような場合には、アンテナコイル１１ａと磁性シート１２との離間距離を調節することで、アンテナコイル１１ａのインダクタンスの変化率を調整し、コンデンサ１１ｂの容量の変化による共振周波数の変化を、アンテナコイル１１ａのインダクタンスの変化により相殺させることができる。
図６は、アンテナコイル１１ａと磁性シート１２とからなる積層体の構造を示す図である。
図６に示すように、アンテナコイル１１ａは、例えば、ポリイミド、液晶ポリマー、テフロン（登録商標）等の可撓性を有するフレキシブルプリント基板などからなるプリント基板１４に実装されている。プリント基板１４は、ＡＤＨなどの接着層１５を介して磁性シート１２が張り合わせられている。このような積層構造により、アンテナコイル１１ａと磁性シート１２との離間距離は、接着層１５の膜厚によって調整可能である。すなわち、プリント基板１４の膜厚ａと、接着層１５の膜厚ｂとの合計値が、アンテナコイル１１ａと磁性シート１２との離間距離となる。
ここで、アンテナコイル１１ａと磁性シート１２との離間距離が大きくなると、アンテナコイル１１ａのインダクタンスが単調に減少する傾向がある。したがって、温度変化によるコンデンサ１１ｂの容量の変化率に対して、アンテナコイル１１ａのインダクタンスの変化率が大きければ、アンテナコイル１１ａと磁性シート１２との離間距離を長くするように調節することで、使用温度領域においてそれぞれ逆特性で同様の変化率で単調変化することができ、容易に共振周波数を略一定に維持することができる。
なお、プリント基板１４としては、上述したフレキシブルプリント基板以外にも、例えば、エポキシ樹脂などの可塑性を有するリジット基板を用いるようにしてもよいが、相対的に誘電率を抑えることができるという観点から、フレキシブルプリント基板を用いることが好ましい。
以上のような構成からなるアンテナモジュール１は、アンテナコイル１１ａのインダクタンスが、使用温度領域でのコンデンサ１１ｂの容量の変化と逆特性で変化させて、使用温度領域で共振回路の共振周波数を発振周波数と略一致させる温度特性を有する磁性シート１２を、アンテナコイル１１ａに重畳するように形成されている。このようして、アンテナモジュール１は、温度変化に応じたコンデンサ１１ｂの容量の変化による共振周波数の変化を、磁性シート１２の温度特性に応じたアンテナコイル１１ａのインダクタンスの変化により相殺させることで、予め設定された使用温度領域において温度が変化しても共振周波数を略一定に維持し、安定して通信を行うことができる。
携帯電話機などに組み込まれるアンテナモジュールの具体例として、図７に示すような、外形状が４２．４［ｍｍ］×２５．６［ｍｍ］であって、幅が０．３［ｍｍ］の導線が０．２［ｍｍ］のスペース幅で、巻線数４で巻回されたアンテナを用いて説明する。このようなアンテナコイルのインダクタンスは２［μＨ］であり、１３．５６ＭＨｚで共振するのに必要なコンデンサの容量は、約６９［μＦ］である。このようなアンテナモジュールにおいて、使用温度領域でコンデンサの容量が１０％変化した場合、何ら温度補償をしなければ、周波数偏差は、約７００［ｋＨｚ］に達し正常な通信を実現することができない。
これに対して、本実施形態に係るアンテナモジュール１は、通常の通信で問題ない程度の周波数偏差、例えば、使用温度領域においてコンデンサの容量変化に換算して１％程度の周波数偏差である約７０［ｋＨｚ］に抑制するように磁性シート１２の温度特性を設計することが可能となる。
なお、上記のような温度補償は、共振回路の環境温度を、温度センサにより検出して、検出結果に応じてコンデンサに印加する制御電圧を制御することでも可能であるが、本実施形態に係るアンテナモジュール１は、このような温度センサを用いなくても温度補償することができるので、コストや装置規模を抑制する観点から有利である。
実施例１
以下では、実際のアンテナ回路で用いられる回路素子を用いて、上述した本実施の形態のアンテナモジュールの通信特性について説明する。
具体的に、下記の実施例では、２０℃付近でのアンテナ回路の共振周波数を、リーダライタの発振周波数である１３．５６［ＭＨｚ］に合わせて、使用温度領域である０℃〜６０℃における共振周波数の偏差について評価した。
まず、図８に示すような温度特性を有する積層セラミックコンデンサを、アンテナ回路の共振用のコンデンサとして用いた。この積層セラミックコンデンサは、図８に示すように、いわゆる可変容量コンデンサの１種で、−５５℃〜８５℃の温度範囲において、変化量ｄｃ／ｃが±５％の偏差がある。
なお、図８に示すように、可変容量コンデンサは、−５５℃〜８５℃の温度範囲において「上に凸」となるように容量が変化するが、使用温度領域である０℃〜６０℃では容量が単調減少する。そこで、上述した逆特性を容易に実現する観点から、アンテナ回路に用いるアンテナコイルとしては、図９に示すように、使用温度領域である０℃〜６０℃においてインダクタンス値が単調減少する温度特性があるものを用いた。
図９のラインＡは、磁性シートが積層されていないアンテナコイルのインダクタンスの温度特性である。
また、図９のラインＢは、メタル系磁性シートを積層したアンテナコイルのインダクタンスの温度特性である。メタル系磁性シートとして、ＦｅＳｉＣｒ系の磁性シートを用いた。
また、図９のラインＣは、共振周波数を略一定に維持するように設計された温度特性を有するフェライト製の磁性シートを積層したアンテナコイルのインダクタンスの温度特性である。フェライト製の磁性シートとして、ＮｉＺｎ系の磁性シートを用いた。
図９に示すように、アンテナコイル単体、及び、メタル系の磁性シートを積層したアンテナコイルでは、温度変化によってインダクタンスの変化が比較的小さい。これに対して、フェライト製の磁性シートを積層したアンテナコイルは、予め設定した使用温度領域である０℃から６０℃の範囲内において、偏差が約３．３％でインダクタンスが変化する。
次に、図８に示した温度特性を有するコンデンサと、図９に示すような温度特性を有する各アンテナコイルを組合せたアンテナ回路の共振周波数の温度特性を計算により求めた。
図１０は、各アンテナコイルを有するアンテナ回路の共振周波数の温度特性を示す図である。
図１０のラインＡは、磁性シートが積層されていないアンテナコイルを有するアンテナ回路の共振周波数の温度特性である。また、図１０のラインＢは、メタル系磁性シートを積層したアンテナコイルを有するアンテナ回路の共振周波数の温度特性である。また、図１０のラインＣは、共振周波数を略一定に維持するように設計されたフェライト製の磁性シートを積層したアンテナコイルのインダクタンスの温度特性である。
図１０に示すように、ラインＡ、Ｂに対応するアンテナ回路は、３０℃を超えたあたりから、急峻に共振周波数が高く変化してしまった。なお、温度上昇に伴ってコンデンサの温度特性が容量が小さくなる方向に変化することから、ラインＡ、Ｂに対応するアンテナ回路の共振周波数は、使用温度領域の下限値である０℃において、予めラインＣに対応するアンテナ回路の共振周波数に比べて小さくなるように設計した。
これに対して、図１０のラインＣに対応するアンテナ回路は、使用温度領域の下限値である０℃で共振周波数を１３．６５［ＭＨｚ］近くにするため約２０℃で共振周波数を１３．５６［ＭＨｚ］に合わせることで、結果的に３０℃を下限値ピークとして共振周波数が低くなるが、その勾配が他のアンテナ回路の共振周波数と比べてなだらかとなっている。この結果、ラインＣに対応するアンテナ回路は、使用温度領域である０℃から６０℃の範囲において、共振周波数の偏差を約０．１［ＭＨｚ］に抑えることができた。
図１１は、使用温度領域である０℃から６０℃の範囲において、図１０の各ラインＡ、Ｂ、Ｃに対応するアンテナ回路の共振周波数の偏差をパーセント表示したものである。この図１１から見ても明らかなように、ラインＣに対応するアンテナ回路は、使用温度領域において共振周波数の偏差を±１０％程度にすることができ、他のアンテナ回路に比べて共振周波数を略一定に維持することができた。
この実施例から見ても明らかなように、本実施形態に係るアンテナモジュールは、温度変化に応じたコンデンサの容量の変化による共振周波数の変化を、アンテナコイルのインダクタンスの変化により相殺させることで、予め設定された使用温度領域において温度が変化しても共振周波数を略一定に維持し、安定して通信を行うことができた。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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